CN105265013A - 用于减小无线传感器网络中的功率的设备及方法 - Google Patents

用于减小无线传感器网络中的功率的设备及方法 Download PDF

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CN105265013A CN201480032074.1A CN201480032074A CN105265013A CN 105265013 A CN105265013 A CN 105265013A CN 201480032074 A CN201480032074 A CN 201480032074A CN 105265013 A CN105265013 A CN 105265013A
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Abstract

本发明涉及一种无线传感器装置(300)，其包含无线收发器(304)、白名单产生器(302)及功率控制逻辑(306)。所述无线收发器(304)经配置以经由无线传感器网络进行发射及接收。所述白名单产生器(302)经配置以识别经由所述无线传感器网络与所述无线传感器装置(300)直接通信的无线传感器节点、识别被指派用于所述无线传感器装置(300)与所述已识别无线传感器节点中的每一者之间的通信的时槽，且产生并维持所述已识别无线传感器节点及对应时槽的名单(320)。所述功率控制逻辑(306)经配置以基于对应于所述名单(320)中提供的所述已识别无线传感器节点的所述已识别时槽对所述收发器(304)供电以接收来自每一已识别无线传感器节点的发射。

Description

用于减小无线传感器网络中的功率的设备及方法
技术领域
本发明大体上涉及无线网络，且特定地说涉及用于减小无线传感器网络中的功率的设备及方法。
背景技术
无线传感器网络(WSN)用于各种应用领域，包含工业工序监测及控制、环境及生境监测、交通控制、建筑自动化及健康护理应用。在一些应用中，通电传感器可以用于恶劣环境中，且传感器在延长的时间量内是不受限制的。然而，如果传感器是由电池供电，那么电池容量可能限制不受限制的传感器节点的部署。在更换电池不增加额外成本及复杂性的情况下，所述电池供电传感器节点应用将具有有限寿命。能量收集是用于增加传感器节点的寿命的一种替代方案。如果可定期收集能源，那么传感器节点可操作的时间实质上长于只进行电池供电的情况。然而，如果能量收集装置较小以减小传感器节点的大小及传感器节点部署的成本，那么其只可收集相对较少能量，这约束了装置的能量消耗。
发明内容
在所描述的实例中，一种无线传感器装置包含无线收发器、白名单产生器及功率控制逻辑。无线收发器经配置以经由无线传感器网络进行发射及接收。白名单产生器经配置以识别经由无线传感器网络与无线传感器装置直接通信的无线传感器节点、识别被指派用于无线传感器装置与已识别无线传感器节点中的每一者之间的通信的时槽，且产生并维持已识别无线传感器节点及对应时槽的名单。功率控制逻辑经配置以基于对应于名单中提供的已识别无线传感器节点的已识别时槽对收发器供电以接收来自每一已识别无线传感器节点的发射。
在一个实例中，一种方法包含由无线传感器装置识别经由无线传感器网络与无线传感器装置直接通信的无线传感器节点。时槽被指派用于无线传感器装置与已识别无线传感器节点中的每一者之间的通信。由无线传感器装置产生并维持已识别无线传感器节点及对应时槽的名单。由无线传感器装置基于对应于名单中提供的已识别无线传感器节点的已识别时槽对收发器供电以接收来自每一已识别无线传感器节点的发射。
在另一实例中，一种无线传感器网络包含经配置以无线地通信的多个传感器节点。所述传感器节点中的每一者经配置以抑制定期接收器激活，且包含白名单产生器及功率控制逻辑。白名单产生器经配置以在网络初始化时间间隔期间识别与传感器节点直接通信的相邻传感器节点、识别被指派用于所述传感器节点与已识别相邻传感器节点中的每一者之间的通信的时槽，且产生并维持已识别相邻传感器节点及对应时槽的名单。功率控制逻辑经配置以基于对应于名单中提供的已识别相邻传感器节点的已识别时槽对收发器供电以接收来自每一已识别相邻传感器节点的发射。
附图说明
图1是根据各个实施例的无线网络的方框图。
图2是适用于图1的无线网络中的通信的时槽/帧时序的图。
图3是经配置以接入图1的无线网络的无线装置的方框图。
图4是用于图1的无线网络中的功率优化的方法的流程图。
具体实施方式
无线电操作消耗电池操作的无线传感器网络装置中的大部分总功耗。因此，为了保证无线传感器网络装置的寿命，应最小化无线电使用，同时在装置之间提供足够多的通信。一些常规的传感器网络装置通过周期性暂停无线电收听而非忙-等待无线电收听来最小化无线电功耗。在周期性暂停无线电收听时，无线电经定期地激活持续短时间以接收数据包。相比之下，在忙-等待无线电收听时，无线电被继续供电。周期性暂停收听的使用能够大幅减小无线电功耗。
在采用周期性暂停收听的许多传感器网络中，定期收听以功耗为主，因为数据包发射的频率远小于收听周期(例如每分钟发射1个数据包)。因此，需要用于增加低功率传感器网络装置的寿命的额外技术。
在一些实施例中，在无线传感器网络初始化期间，无线装置识别网络中的其它装置及所述装置在其期间通信的时槽/帧。每一装置构造并维持白名单，所述白名单指定装置的无线电在其期间被供电以与其它装置通信的时槽/帧。通过只在白名单中指定的时槽/帧期间给无线电供电，无线装置能够大幅减小无线电的功耗，同时保证每当可能发生通信时对无线电供电。
图1是根据各个实施例的无线网络100的方框图。网络100包含彼此无线通信的装置102到114。装置102到114又称为节点。为了清楚起见，图1只示出了几个无线节点，但是网络100可包含任何数目的无线节点。装置102到114可由提供有限能量的电源(例如电池及能量收集系统)供电。网络100可为无线传感器网络，且装置102到114中的每一者可为测量环境的一或多个参数并经由网络100发射测量值的无线传感器装置/节点。
在网络100中，节点102充当协调器。协调器节点102可用作网络100的基站。节点104及106是叶节点，其位于远距协调器节点102的距离处，这允许协调器节点102与叶节点104及106中的每一者直接通信。节点108是中间节点，其也位于远距协调器节点102的距离处，这允许中间节点108与协调器节点102直接通信。
因为节点102到114具有有限的无线通信范围，所以网络100中的一些节点不能与协调器节点102直接通信。例如，在网络100中，节点110、112及114经安置相距协调器节点102太远而不允许与协调器节点102直接通信。因此，叶节点110及中间节点112与中间节点108直接通信，且通过中间节点108与协调器节点102间接地通信。叶节点114位于远距中间节点108的距离处，这防止了叶节点114与中间节点108之间的直接通信。因此，叶节点114与中间节点112直接通信，且通过中间节点112及108与协调器节点102间接地通信。
节点102到114可使用时分多址(TDMA)技术基于媒体接入控制协议(例如IEEE802.15.4eTSCH(时间同步信道跳跃))及无线HART协议进行通信。网络100的节点包含用于基于TDMA的周期性暂停的逻辑。
图2是适用于网络100中的通信的时槽/帧时序的图。在图2中，通信时间被划分为超帧(或“帧”)202A及202B。每一帧包含时槽。在图2的实例中，每一帧包含8个时槽。在其它实施例中，每一帧可包含不同数目的时槽。在网络100中，为节点102到114指派其中可在两个节点之间起始通信的时槽中的一或多者。例如，在图2中，为第一对节点指派时槽2用于通信，且为第二对节点指派时槽5用于通信。
节点102到114施加周期性暂停于图2的TDMA时槽/帧。在TDMA周期性暂停中，每一节点102到114可只在已被指派到节点用于网络通信的时槽/帧期间对其无线电供电或以其它方式启用其无线电。例如，可为节点102及104指派时槽2用于通信。因此，节点102及104可只在帧的时槽2期间对相关无线电供电以用于节点之间的通信。此外，可为节点指派特定帧用于通信。例如，节点102及104可每隔一帧、每隔两帧或每隔三帧等等进行通信。因此，节点102及104可在帧202A的时槽2中对相关无线电供电且不在帧202B的时槽2中对无线电供电。
TDMA周期性暂停协议可基于用途定义每一时槽的类型。信标时槽及控制时槽是两种类型的时槽。信标含有TDMA网络的时间同步信息。时间同步信息允许新的装置将其自身同步到网络而无需事先了解现有网络。此外，即使在初始同步之后，信标也允许装置补偿装置之间的时钟漂移。信标数据包的发射及接收的时间由装置使用来调整时槽时序并与网络的TDMA时槽边界保持一致。在装置已接收到信标数据包且获得同步信息之后，信标接收的主要原因是补偿装置之间的时钟漂移并检测网络配置的变化，例如时槽变化。当可容忍时钟漂移时，装置可通过抑制信标时槽上的不必要收听来跳过某些信标接收。
控制时槽允许新的装置与网络交换数据包以加入网络或与网络相关联。控制时槽还允许装置交换数据包以维持并更新网络的拓扑。控制时槽在网络稳定之后极少使用。控制时槽的使用只有在新的装置希望加入现有网络时才变得频繁，这触发了一组数据包交换以使新装置及拓扑更新相关联。在网络稳定之后，装置可抑制控制时槽上的一些不必要收听。
在常规的无线网络中，抑制/跳过时槽或时槽帧会导致延迟节点尝试与网络连接/相关联的连接设置。当抑制时槽时，节点可消耗大量时间来发射相关请求帧及最终与协调器连接。网络100的实施例相对于施加TDMA周期性暂停以抑制时槽/帧的常规网络提供了减少的连接设置时间，同时还提供时槽/帧抑制的功率优势。
网络100通常是静态的。例如，在初始化时间间隔期间，节点102到114加入网络100，且节点102到114之间建立通信路径。此后，网络100极少改变。在初始化时间间隔期间，每一节点识别与其直接及间接通信的其它节点，且识别被指派用于与另一节点的通信的时槽/帧时序。基于已识别节点及时序，每一节点产生白名单，所述白名单定义在其期间可对无线电供电以进行通信的时槽/帧以及相反地识别在其期间无线电可能未供电的时槽/帧。每一节点应用其白名单以在网络初始化之后控制无线电功率，但是初始化期间未施加时槽/帧抑制，这减少了节点连接时间。
图3是适用于在网络100中使用的无线装置102的方框图。本文中关于无线装置102描述的结构及功能同样可适用于无线节点104到114及网络100的任何其它无线节点。装置102包含白名单产生器302、收发器304、功率控制逻辑306、处理及控制逻辑308以及天线314。无线装置102还可包含图3中由于清楚起见而省略的各种组件。例如，无线装置可包含用于测量其中操作无线装置102的环境的参数的换能器或传感器，例如数字化电路及模拟信号处理电路。
天线314在传导形式与电波形式之间转换信号。天线314耦合到收发器304。收发器304包含接收器310及发射器312。接收器310提供用于由天线314检测到的信号(例如，经由无线信道接收到的信号)的降频转换、解调、解码等等，且发射器312提供将经由天线314发射的信号的编码、调制、放大等等。
功率控制逻辑306耦合到收发器304。功率控制逻辑306产生控制是否启用接收器310及/或发射器312的信号。例如，信号可控制是否在给定时槽/帧中对接收器310及/或发射器312供电。在一些实施例中，功率控制逻辑306可控制至接收器310及/或发射器312的功率的切换。在其它实施例中，功率控制逻辑306可控制被提供到接收器310及/或发射器312的时钟信号的提供及/或频率。
白名单产生器302建造并维持识别与无线装置102通信的网络100的节点且识别被指派用于通信的时槽/帧的名单。基于所述名单，白名单产生器302将功率控制信息提供到功率控制逻辑306。白名单产生器302包含产生白名单320的节点识别逻辑316及时槽/帧识别逻辑318。节点识别逻辑316识别与无线装置102直接通信的网络100的节点，且识别通过一或多个中间节点与无线装置102间接地通信的网络100的节点。时槽/帧识别逻辑318识别被指派用于无线装置102与网络100的其它节点之间的通信的时槽/帧。白名单320含有由节点识别逻辑316及时槽/帧识别逻辑318识别的节点及时槽/帧信息。存储在白名单320中的时槽/帧信息被提供到功率控制逻辑306以控制接收器310及/或发射器312的启用。
处理及控制逻辑308提供用于无线装置102的控制及数据处理。例如，处理及控制逻辑308可提供TDMA时序以用于经由无线信道发射及接收数据，且可提供通信协议处理、换能器数据处理等等。在一些实施例中，处理及控制逻辑308可包含处理器、用于指令及数据存储的存储器、时钟及时序电路以及各种其它组件。在一些实施例中，白名单产生器302可与处理及控制逻辑308集成。例如，处理及控制逻辑的处理器可执行使处理器实施白名单产生器302的功能的指令。
适用于处理及控制逻辑308的处理器可为通用微处理器、数字信号处理器、微控制器或能够执行自计算机可读存储媒体检索的指令的其它装置。处理器架构通常包含执行单元(例如固定点、浮动点及整数)、存储装置(例如寄存器及存储器)、指令解码、指令及数据获取逻辑、外围装置(例如中断控制器、计时器及直接存储器存取控制器)、输入/输出系统(例如串行端口及并行端口)及各种其它组件及子系统。
适用于处理及控制逻辑308的存储器是适用于存储由无线节点102的处理器检索及执行以实施本文中揭示的功能的指令的非暂时性计算机可读存储媒体。存储器可包含易失性存储装置(例如静态或动态随机存取存储器)及/或非易失性存储装置(例如FLASH存储装置及只读存储器)。
由白名单产生器302及功率控制逻辑306提供的功率控制功能可部分基于由网络100中的无线装置102提供的功能(或无线装置102的作用)及/或网络100中的装置102的位置及连接。
在直接连接案例中，协调器节点与叶节点直接通信。如果无线装置102是网络100中的协调器且由提供无限功率的电源(例如AC电力线)供电，那么功率控制逻辑306可允许接收器310及发射器312不断被供电，因为功率节省对于延长无线装置102的寿命来说是不必要的。如果无线装置102充当网络100的协调器，且无线装置102的电源(例如电池)提供有限功率，那么白名单产生器302在预定网络初始化时间间隔(例如1天)期间产生白名单320。当网络100稳定时(例如当经过初始化时间间隔或预定时间内未识别新节点时)，应用白名单320以通过只在被指派用于无线装置102与初始化时间间隔期间识别的节点之间的通信的时槽/帧期间对接收器310及/或发射器312供电来减小由接收器310及/或发射器312消耗的功率。例如，应用白名单320以控制在未指派用于通信的时槽/帧期间停用接收器310及/或发射器312功率的时槽/帧的跳过/抑制。在一些实施例中，可在叶节点已连接到协调器无线装置102之后的任何时间应用白名单以启用时槽/帧的跳过/抑制。在网络初始化期间，无线装置102可通过不应用时槽/帧的跳过/抑制来减少网络初始化时间。
如果无线装置102充当网络100中的叶节点，那么白名单产生器302将在无线装置102加入网络时(例如当其与协调器节点建立连接时)产生白名单320。作为叶节点，无线装置102可在加入网络100之后的任何时间应用白名单320以引导时槽/帧的跳过/抑制。当充当叶节点时，无线装置102可假设协调器节点总是导通。
在间接连接案例中，叶节点通过中间节点间接地连接到协调器。在间接连接案例中，无线装置102在由有限能源供电时充当协调器(如针对直接连接案例所描述)且还(从中间节点)接收连接到中间节点的叶节点的识别。在间接连接案例中，充当协调器节点的无线装置102直到中间节点已经将叶节点识别提供到无线装置102之后才应用白名单320来进行时槽/帧的跳过/抑制。如果无线装置102充当中间节点，那么无线装置102以类似于协调器节点描述为针对直接连接案例操作的方式来操作。如果无线节点102充当叶节点，那么无线装置102以类似于叶节点描述为针对直接连接案例操作的方式来操作。
在多跳连接案例中，叶节点通过多个中间节点间接地连接到协调器。在多跳连接案例中，无线装置102在由有限能源供电时充当协调器(如针对间接连接案例所描述)。在多跳连接案例中，充当协调器节点的无线装置102直到所有中间节点已经将叶节点识别提供到无线装置102之后才应用白名单320来进行时槽/帧的跳过/抑制。如果无线装置102充当安置在协调器与另一中间节点之间的中间节点，那么无线装置102以类似于协调器节点描述为针对间接连接案例操作的方式来操作。如果无线节点102充当只关于叶节点的中间节点，那么无线装置102以类似于中间节点描述为针对间接连接案例操作的方式来操作。如果无线节点102充当叶节点，那么无线装置102以类似于叶节点描述为针对直接连接案例操作的方式来操作。
图4是用于网络100中的功率优化的方法400的流程图。虽然为了方便起见循序地进行描述，但是所示出的至少一些动作可以不同次序执行及/或并行执行。此外，一些实施例可只执行所示出的一些动作。方法400的至少一些操作可由执行自非暂时性计算机可读存储媒体检索的指令的处理器来实施。
在方框402中，网络100初始化且节点通过与其它节点建立通信加入网络100。每一节点识别与所述节点直接通信的节点(例如相邻节点)。
在方框404中，每一节点已经与相邻节点建立通信，且将时槽/帧指派用于节点之间的通信。可指派每一帧的任何数目的时槽由节点使用，且可指派少于全部帧(例如交替帧)用于节点之间的通信。
在方框406中，每一节点建造白名单，所述白名单含有识别在其上可发生节点之间的通信的时槽/帧且识别与每一时槽/帧组合相关联的节点的信息。
在方框408中，每一协调器节点(从直接连接到协调器节点的每一中间节点)接收识别叶节点及直接连接到中间节点的额外中间节点的信息。例如，协调器节点接收关于叶节点及间接地连接到协调器节点的中间节点的识别的信息。类似地，被安置在协调器节点与上游中间节点之间的每一中间节点从上游中间节点接收识别叶节点及直接连接到上游中间节点的中间节点的信息，且可将信息转发到协调器节点。每一节点可将关于所述节点所间接地连接到的节点的信息添加(到所述节点的白名单320)。
在方框410中，网络100的每一节点应用白名单320以控制在何时对节点的接收器310及/或发射器312供电以与其它节点通信。选用地，协调器及/或中间节点在网络初始化期间不应用白名单。
在所描述的实施例中可作出修改且其它实施例在权利要求书的范围内是可行的。

Claims (20)

1.一种无线传感器装置，其包括：
无线收发器，其经配置以经由无线传感器网络进行发射及接收；
白名单产生器，其经配置以：识别经由所述无线传感器网络与所述无线传感器装置直接通信的无线传感器节点；识别被指派用于所述无线传感器装置与所述已识别无线传感器节点中的每一者之间的通信的时槽；且产生并维持所述已识别无线传感器节点及对应时槽的名单；及
功率控制逻辑，其经配置以基于对应于所述名单中提供的所述已识别无线传感器节点的所述已识别时槽对所述收发器供电以接收来自每一已识别无线传感器节点的发射。
2.根据权利要求1所述的无线传感器装置，其中所述白名单产生器经配置以在预定时间间隔内识别所述无线传感器节点。
3.根据权利要求1所述的无线传感器装置，其中所述收发器经配置以在所述无线传感器装置与所述已识别无线传感器节点中的一者相关联之后，在只对应于如所述名单中提供的所述已识别无线传感器节点中的所述一者的时槽期间进行发射。
4.根据权利要求1所述的无线传感器装置，其中所述白名单产生器经配置以：接收通过中间无线传感器节点与所述无线传感器装置间接地通信的额外无线传感器节点的识别；且将所述额外无线传感器节点及被指派用于所述中间无线传感器节点与所述额外无线传感器节点之间的通信的时槽添加到所述名单。
5.根据权利要求4所述的无线传感器装置，其中额外无线传感器节点的所述识别包含通过多个连续的中间无线传感器节点与所述无线传感器装置通信的无线传感器节点的识别。
6.根据权利要求1所述的无线传感器装置，其中所述白名单产生器经进一步配置以：识别含有被指派用于所述无线传感器装置与所述已识别无线传感器节点中的每一者之间的通信的所述时槽的帧；且将所述帧的识别包含在所述名单中。
7.根据权利要求6所述的无线传感器装置，其中所述功率控制逻辑经配置以基于对应于所述名单中提供的所述已识别无线传感器节点的所述已识别帧对所述收发器供电以接收来自每一已识别无线传感器节点的发射。
8.根据权利要求1所述的无线传感器装置，其中所述功率控制逻辑经配置以对所述收发器供电以接收与所述无线传感器装置直接通信的无线传感器节点的识别之前的所有时槽期间的发射。
9.一种方法，其包括：
由无线传感器装置识别经由无线传感器网络与所述无线传感器装置直接通信的无线传感器节点；
由所述无线传感器装置识别被指派用于所述无线传感器装置与所述已识别无线传感器节点中的每一者之间的通信的时槽；
由所述无线传感器装置产生并维持所述已识别无线传感器节点及对应时槽的名单；及
由所述无线传感器装置基于对应于所述名单中提供的所述已识别无线传感器节点的所述已识别时槽对收发器供电以接收来自每一已识别无线传感器节点的发射。
10.根据权利要求9所述的方法，其中无线传感器节点的所述识别是在所述无线传感器网络初始化时的预定时间间隔内执行的。
11.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：在所述无线传感器装置与所述已识别无线传感器节点中的一者相关联之后，在只对应于如所述名单中提供的所述已识别无线传感器节点中的所述一者的时槽期间进行发射。
12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：接收通过中间无线传感器节点与所述无线传感器装置间接地通信的额外无线传感器节点的识别；且将所述额外无线传感器节点及被指派用于所述中间无线传感器节点与所述额外无线传感器节点之间的通信的时槽添加到所述名单。
13.根据权利要求12所述的方法，其中额外无线传感器节点的所述识别包含通过多个连续的中间无线传感器节点与所述无线传感器装置通信的无线传感器节点的识别。
14.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：识别含有被指派用于所述无线传感器装置与所述已识别无线传感器节点中的每一者之间的通信的所述时槽的帧；将所述帧的识别包含在所述名单中；及基于对应于所述名单中提供的所述已识别无线传感器节点的所述已识别帧对所述收发器供电以接收来自每一已识别无线传感器节点的发射。
15.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：对所述收发器供电以接收与所述无线传感器装置直接通信的无线传感器节点的识别之前的所有时槽期间的发射。
16.一种无线传感器网络，其包括：
经配置以无线地通信的多个传感器节点，所述传感器节点中的每一者经配置以抑制定期接收器激活，且所述传感器节点中的每一者包含白名单产生器及功率控制逻辑；
其中所述白名单产生器经配置以：在网络初始化时间间隔期间识别与所述传感器节点直接通信的相邻传感器节点；识别被指派用于所述传感器节点与所述已识别相邻传感器节点中的每一者之间的通信的时槽；且产生并维持所述已识别相邻传感器节点及对应时槽的名单；并且
其中所述功率控制逻辑经配置以基于对应于所述名单中提供的所述已识别相邻传感器节点的所述已识别时槽对收发器供电以接收来自每一已识别相邻传感器节点的发射。
17.根据权利要求16所述的无线传感器网络，其中所述白名单产生器经配置以：接收通过所述相邻传感器节点中的一者间接地通信的额外传感器节点的识别；且将所述额外传感器节点及被指派用于所述相邻传感器节点与所述额外传感器节点之间的通信的时槽添加到所述名单。
18.根据权利要求17所述的无线传感器网络，其中额外传感器节点的所述识别包含通过不同传感器节点与所述相邻传感器节点中的一者通信的传感器节点的识别。
19.根据权利要求16所述的无线传感器网络，其中所述白名单产生器经进一步配置以：识别含有被指派用于与所述相邻传感器节点中的每一者进行的通信的所述时槽的帧；且将所述帧的识别包含在所述名单中；其中所述功率控制逻辑经配置以基于所述名单中提供的所述已识别帧对所述收发器供电以接收来自每一已识别相邻传感器节点的发射。
20.根据权利要求16所述的无线传感器网络，所述功率控制逻辑经配置以对所述收发器供电以接收所述相邻传感器节点的识别之前的所有时槽期间的发射。
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